2024年4月10日发(作者：)

第一章绪论

第一章绪论

大规模可编程逻辑器件是数字系统设计的基础之一。常见的可编程逻辑器件

有ＦＰＧＡ，ＣＰＬＤ，ＥＰＬＤ，ＧＡＬ，ＰＬＡ，ＰＡＬ和ＰＲＯＭ等。集成度是集成电路的一项很重

要指标，如果按集成度来分类，可分为低密度可编程逻辑器件和高密度可编程逻

辑器件。低密度可编程器件包括ＰＲＯＭ，ＰＬＡ，ＰＡＬ和ＧＡＬ四种，高密度可编程逻

辑器件包括ＥＰＬＤ，ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ三种。由于ＦＰＧＡ的现场可编程特性受到了广大

用户的欢迎，使其得到十分迅速的发展。最新的ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ

Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ

Ｇａｔｅ

Ａｒｒａｙ）器件内含上百万门等效逻辑门，高速Ｉ／Ｏ，嵌入微处理器和ＲＡＭ、商速时

钟处理等模块，使用方便、灵活，可以使系统工程师以最快时间来实现系统原型

设计、调试、快速查错和升级等任务。

１．１

现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）概述

现场可编程门阵列ＦＰＧＡ和复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ（以下统称ＦＰＧＡ）是

八十年代中期出现的新型可编程逻辑器件。通过编程可以立刻把一个通用的ＦＰＯＡ

芯片配置成用户需要的硬件数字电路。因而大大加快电子产品的研发周期，降低

研发成本，缩短产品上市时间。全球ＦＰＧＡ市场２０００年已达约４０亿美元，２０００

年中国ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ市场规模大约为７０００万美元。同时，近年来集成电路正向系

统级芯片（ＳＯＣ）的方向发展，在ＳＯＣ芯片上可以将微处理器、数字信号处理器、

存储器、逻辑电路、模拟电路乃至微光机电器件集成在一个芯片上。而如果将可

编程逻辑电路ＩＰ核集成到ＳＯＣ芯片上则会大大提高ＳＯＣ芯片的灵活性与有效性，

并且缩短了ＳＯＣ芯片的设计周期。由于ＦＰＧＡ器件具有高密度、低功耗、高可靠

性以及开发周期短、开发软件投入少、芯片价格低等优点，也可以应用在航天、

通信、计算机硬件系统、程序控制、数字系统的测试诊断等方面。

自１９８４年Ｘｉｌｉｎｘ公司发明ＦＰＧＡ至今，ＦＰＯＡ已经历了十几年的发展历史。

在这十几年的发展过程中，以ＦＰＯＡ为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人

的发展：现场可编程逻辑器件从最初的１２００个可利用门，发展到９０年代的２５万

个可利用门，乃至现在，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商又陆续推出了数

百万门的单片ＦＰＧＡ芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。

电子科技大学硕士学位论文

图１．１

Ｘｉｌｉｎｘ

ＦＰＧＡ发展镯图

纵观现场可编程逻辑器件的发展历史（图１．１），其之所以具有巨大的市场吸

引力，根本在于：ＦＰＧＡ不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，

而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使ＦＰＯＡ越来越多

地取代了ＡＳＩＣ的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使ＦＰＧＡ成为首选。

ＦＰＧＡ的速度和容量的发展是极其迅猛。目前的ＦＰＧＡ芯片工作频率已经达到

２００ＭＨｚ，容量超过１００万门。为了适应ＦＰＧＡ的快速发展，国际著名的ＦＰＧＡ供

应商Ｘｉｌｉｎｘ，Ａｌｔｅｒａ，Ａｃｔｅｌ，Ｌａｔｔｉｃｅ等公司都推出了各自的设计系统。但工业界对

高效的ＦＰＧＡ设计工具和适应特殊应用领域的新结构ＦＰＧＡ的需求仍然有增无减。

在国际学术界，ＦＰＧＡ新结构、ＦＰＧＡ逻辑设计和物理设计的研究已成为热点。

１．２

目前ＦＰＧＡ的发展趋势及国内研究发展现状

１．２．１

ＦＰＧＡ的发展趋势及研究方向

ＦＰＧＡ器件已经成为当今世晃上最富吸引力的半导体器件，在现代电子系统

设计中扮演着越来越重要的角色，其未来的发展方向将呈现以下几个方面的趋势。

１．向高密度、大规模的方向发展

随着电子系统复杂程度的提高，ＦＰＧＡ的规模不断地扩大，从最初的几百门

到现在的上百万门。目前，高密度的ＦＰＧＡ产品已经成为主流器件，并且已经具

备了片上系统（Ｓｙｓｔｅｍ．ｏｎ－Ｃｈｉｐ）集成的能力。产品性能发生了巨大的飞跃，这也

促使着工艺的不断进步，而每次工艺的改进，ＦＰＧＡ器件的规模都将有很大的扩展。